KR20120051496A - Refrigerant system of fuel cell for vehicle - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: Cooling system of fuel cell is provided to prevent local efficiency reduction by reducing the generation of temperature difference in a coolant inflow part and a coolant outflow part, thereby improving the power of whole fuel cell stack, and the durability of a stack. CONSTITUTION: Cooling system of fuel cell for vehicle comprises a circulation loop of coolant for cooling a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell is stacked. The circulation loop comprises: a coolant inflow ports(140a,140b) in which coolant passing stack is flowed in; a coolant outflow ports(140c,140d) for outflowing coolant passed the stack, formed to be corresponding with the coolant inflow ports; and a plurality of coolant channels(150,160) connecting the plurality of coolant inflow ports and corresponding outflow ports. The plurality of coolant channels is formed to flow coolant toward directions different each other.

Description

차량용 연료전지의 냉각 시스템{Refrigerant system of fuel cell for vehicle}Refrigerant system of fuel cell for vehicle

본 발명은 차량용 연료전지의 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량용 연료전지에서 전기 에너지를 생산하는 과정에서 발생하는 발열을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 차량용 연료전지의 냉각 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a cooling system for a vehicle fuel cell, and more particularly to a cooling system for a vehicle fuel cell that can effectively cool the heat generated in the process of producing electrical energy in the vehicle fuel cell.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다. A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of fuel into electric energy by electrochemical reaction in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It can also be applied to the power supply of electrical / electronic products, especially portable devices.

연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.As an example of a fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is most frequently researched as a power supply for driving a vehicle, has both sides of the membrane centered on an electrolyte membrane through which hydrogen ions move. Membrane Electrode Assembly (MEA) with a catalytic electrode layer on which an electrochemical reaction occurs, a gas diffusion layer (GDL) that distributes the reactants evenly and delivers the generated electrical energy. And a gasket and fastening mechanism for maintaining the airtightness and proper fastening pressure of the gases and cooling water, and a bipolar plate for moving the reactor bodies and the cooling water.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. In the fuel cell, hydrogen as the fuel and oxygen (air) as the oxidant are respectively supplied to the anode and the cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, and the hydrogen is the anode ('fuel electrode' or 'water'). And the oxygen (air) are supplied to the cathode ('air' or 'oxygen', also known as 'reduction electrode').

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. Supplied to the anode hydrogen is a hydrogen ion (proton, H +) and electrons by the electrode catalyst constructed on both sides of the electrolyte membrane (electron, e -) are decomposed into, passed through only the hydrogen ion in the optional electrolyte membrane cation exchange membrane The electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separation plate which is a conductor.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to generate a reaction. At this time, due to the movement of hydrogen ions, a flow of electrons occurs through an external conductor, and the flow of electrons generates current.

한편, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 냉각 시스템으로 구성된다.On the other hand, a fuel cell system mounted on a vehicle includes a fuel cell stack that generates electric energy, a fuel supply device for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and oxygen in the air, which is an oxidant required for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack. It is composed of a cooling system for supplying an air supply device and a reaction heat of the fuel cell stack to the outside of the system to control the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. With such a configuration, the fuel cell system generates electricity by an electrochemical reaction by hydrogen, which is a fuel, and oxygen in the air, and discharges heat and water as reaction byproducts.

상기한 연료전지 시스템에서는 특히 반응부산물로 열을 발생시키게 되며, 특히, 구동을 위하여 요구되는 대용량의 출력을 발전하기 위하여, 통상 단위구성인 연료전지 셀을 수십 내지 수백개 적층된 형태로 연료전지 스택을 구성하기 때문에, 이러한 스택 내 발생된 열로 인한 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 냉각 시스템이 필수적이다.In the fuel cell system, heat is generated in particular as a reaction byproduct, and in particular, in order to generate a large capacity output required for driving, a fuel cell stack in a form of several tens to hundreds of fuel cell cells, which are usually unitary, is stacked. In order to prevent the temperature rise due to the heat generated in the stack, a cooling system for cooling the stack is essential.

연료전지 반응에서는 전력생산과 동시에 열과 물의 생성을 수반하는데, 폴리머 계열의 전해질막의 경우 적정온도 이상에서 녹거나, 내부 수분의 증발로 수소이온 전달 성능이 감소하여 파손 및 출력저하가 발생한다.The fuel cell reaction involves heat and water generation at the same time as power generation. In the case of polymer-based electrolyte membranes, melting occurs at an appropriate temperature, or hydrogen ion transfer performance decreases due to evaporation of internal moisture, resulting in breakage and output loss.

반대로 연료전지 스택의 온도가 적정온도 이하에서는 반응 시 생성된 물이 증기화 되지 못하고 과다한 양이 응축되어 액상으로 남게 되며, 이로 인하여 캐소드 채널을 막아 산소의 공급을 방해하여 출력저하 현상이 발생한다.On the contrary, if the temperature of the fuel cell stack is lower than the proper temperature, the water produced during the reaction cannot vaporize and an excessive amount is condensed to remain in the liquid phase, thereby blocking the supply of oxygen by blocking the cathode channel, thereby causing a decrease in output.

따라서 효율적인 연료전지 반응을 위해서는 적정온도를 유지할 필요가 있다.Therefore, it is necessary to maintain the proper temperature for efficient fuel cell reaction.

이러한 온도 관리의 측면에서, 종래에는 펌프를 이용 냉각수를 스택을 통과시켜 순환할 수 있는 냉각수 순환루프를 구성하고, 여기에 냉각기를 부착하여 적정온도를 유지하도록 냉각 시스템을 구성하였다.In terms of such temperature management, conventionally, a cooling water circulation loop capable of circulating cooling water through a stack using a pump is configured, and a cooling system is configured to maintain a proper temperature by attaching a cooler thereto.

도 1은 이러한 냉각 시스템에 포함되는 냉각 순환 루프의 예로서, 애노드 측 분리판(11)과 캐소드 측 분리판(13) 사이에 막전극 접합체(13)을 적층한 연료전지 셀 다수가 적층된 연료전지 스택을 냉각하기 위하여, 상기 분리판에 형성된 냉각수 채널(15)과 이러한 냉각수 채널에 연결된 냉각수 매니폴드(14)를 포함하는 냉각 순환 루프를 도시하고 있다.1 illustrates an example of a cooling circulation loop included in such a cooling system, and includes a fuel in which a plurality of fuel cell cells in which a membrane electrode assembly 13 is stacked between an anode side separator 11 and a cathode side separator 13 are stacked. In order to cool the cell stack, there is shown a cooling circulation loop comprising a coolant channel 15 formed in the separator and a coolant manifold 14 connected to the coolant channel.

또한, 도 2는 이러한 냉각 순환 루프에서 냉각수의 유동에 따라 냉각수 온도가 변화하여 연료전지 셀의 국부적인 온도 차이를 발생하게 됨을 모식적으로 나타낸 것이다.In addition, FIG. 2 schematically illustrates that the coolant temperature is changed according to the flow of the coolant in such a cooling circulation loop to generate a local temperature difference of the fuel cell.

그러나, 이러한 종래의 냉각 순환 루프를 포함하는 냉각 시스템에서는 도 2에 도시된 것처럼, 냉각수가 스택을 통과하는 동안 열교환을 통하여 온도가 상승하게 되고, 이로 인하여 스택 내부의 냉각수 유입부와 토출부의 온도편차가 발생하게 된다. 이로 인하여 냉각수 유입부와 토출부에서의 국부적인 발전효율의 차이가 발생하여 연료전지의 성능 저하 및 내구성이 악화되는 문제점이 존재하였다.
However, in the cooling system including the conventional cooling circulation loop, as shown in FIG. 2, the temperature rises through the heat exchange while the coolant passes through the stack, and thus the temperature deviation of the coolant inlet and the discharge part of the stack is increased. Will occur. As a result, a difference in local power generation efficiency occurs at the inlet and outlet of the coolant, thereby degrading the performance and durability of the fuel cell.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 스택 내부에서 냉각수의 열교환으로 인하여, 냉각 유로 중 냉각수 유입부와 토출부의 온도차가 발생하게 되고, 이러한 온도차에 따라 스택의 발전 효율이 달라져 연료전지 시스템 전체의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있도록, 서로 다른 냉각수 유입 유입 포트와 토출 포트를 구비한 2 이상의 냉각수 채널을 형성하고, 이러한 2 이상의 냉각수 채널에서 유체가 서로 다른 방향으로 이동될 수 있도록 구현된 냉각 시스템을 제공함으로써 입출구 사이의 온도 편차를 감소시킬 수 있는 차량용 연료전지의 냉각 시스템을 제공하고자 한다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, in the present invention, due to the heat exchange of the cooling water in the stack, the temperature difference between the cooling water inlet and the discharge portion of the cooling flow path is generated, the power generation of the stack according to the temperature difference Two or more coolant channels having different coolant inlet and outlet ports are formed to prevent the efficiency of the entire fuel cell system from being lowered and the fluid flows in different directions in these two or more coolant channels. An object of the present invention is to provide a cooling system for a vehicle fuel cell that can reduce a temperature variation between entrances and exits by providing a cooling system implemented to be movable.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 차량용 연료전지의 냉각 시스템에 있어서, 다수의 연료전지 셀이 적층된 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수의 순환 루프를 형성하되, 상기 순환 루프는 스택을 통과하는 냉각수가 유입되는 다수의 냉각수 유입 포트와; 상기 냉각수 유입 포트에 대응하여 스택을 통과한 냉각수를 배출하도록 형성된 다수의 냉각수 토출 포트와; 상기 다수의 냉각수 유입 포트와 대응되는 상기 다수의 냉각수 토출 포트 간을 연결하는 다수의 냉각수 채널;을 포함하여 이루어지고, 상기 다수의 냉각수 채널은 서로 다른 방향으로 냉각수의 유동이 이루어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 냉각 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, in a vehicle fuel cell cooling system, a circulation loop of coolant is formed to cool a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells are stacked, and the circulation loop passes through the stack. A plurality of coolant inlet ports through which coolant is introduced; A plurality of coolant discharge ports configured to discharge coolant that has passed through the stack corresponding to the coolant inlet ports; And a plurality of coolant channels connecting between the plurality of coolant inlet ports and the plurality of coolant discharge ports, wherein the plurality of coolant channels are configured to flow coolant in different directions. A cooling system for a vehicle fuel cell is provided.

또한, 상기 냉각수 채널은 서로 반대 방향으로 냉각수가 유동하도록 형성된 제1냉각수 채널 및 제2냉각수 채널로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 냉각 시스템을 제공한다.In addition, the coolant channel provides a cooling system for a vehicle fuel cell, characterized in that the first coolant channel and the second coolant channel formed to flow the coolant in the opposite direction.

또한, 상기 다수의 냉각수 유입 포트는 상기 제1냉각수 채널에 연결되는 제1냉각수 유입 포트와 상기 제2냉각수 채널에 연결되는 제2냉각수 유입 포트로 이루어지고, 상기 다수의 냉각수 토출 포트는 상기 제1냉각수 채널에 연결되는 제1냉각수 토출 포트와 상기 제2냉각수 채널에 연결되는 제2냉각수 토출 포트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 냉각 시스템을 제공한다.The plurality of coolant inlet ports may include a first coolant inlet port connected to the first coolant channel and a second coolant inlet port connected to the second coolant channel. Provided is a cooling system for a vehicle fuel cell, comprising a first coolant discharge port connected to a coolant channel and a second coolant discharge port connected to a second coolant channel.

또한, 상기 제1냉각수 채널 및 상기 제2냉각수 채널은 인접한 연료전지 셀 간에 교대 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 냉각 시스템을 제공한다.The first coolant channel and the second coolant channel are alternately disposed between adjacent fuel cell cells.

또한, 상기 제1냉각수 채널 및 상기 제2냉각수 채널은 상기 연료전지 셀 다수로 이루어지는 다수의 연료전지 셀 조합체 간에 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 냉각 시스템을 제공한다.
In addition, the first coolant channel and the second coolant channel provides a cooling system for a vehicle fuel cell, characterized in that arranged alternately between a plurality of fuel cell cell combination consisting of a plurality of the fuel cell.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 차량용 연료전지의 냉각 시스템에서는 서로 다른 방향에서 냉각수가 흐르도록 구현된 2 이상의 냉각수 채널을 형성함으로써, 냉각수 유동방향에 따라 냉각수가 유입되는 부분과 열교환 후 냉각수가 유출되는 부분에서 온도 차이가 발생하는 것을 줄여 국부적인 효율 감소를 제거시킬 수 있으며, 이로 인하여 연료전지 스택 전체의 출력(성능)과 스택의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
As described above, in the cooling system of a vehicle fuel cell according to the present invention, by forming two or more coolant channels implemented to allow coolant to flow in different directions, a portion where the coolant flows in the coolant flow direction and the coolant flows after heat exchange By reducing the temperature difference in the portion can be eliminated the local efficiency reduction, thereby improving the output (performance) of the entire fuel cell stack and the durability of the stack.

도 1은 종래 기술에 따른 차량용 연료전지의 냉각 시스템에서의 냉각수 채널을 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 종래 기술에 따른 차량용 연료전지의 냉각 시스템에서 냉각수 흐름에 따른 연료전지 셀의 온도 차가 발생하는 것을 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 차량용 연료전지의 냉각 시스템에서 냉각수 채널을 개략적으로 도시한 개념도이고,
도 4는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 차량용 연료전지의 냉각 시스템에서 연료전지 스택에 연결되는 냉각수 유입 라인 및 냉각수 토출 라인을 도시한 것이고,
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 구현예에서 서로 다른 방향으로 형성되는 2 개의 냉각수 채널을 각각 도시한 것이다.1 schematically shows a coolant channel in a cooling system of a vehicle fuel cell according to the prior art,
2 schematically shows that a temperature difference of a fuel cell according to a flow of coolant occurs in a cooling system of a vehicle fuel cell according to the related art.
3 is a conceptual diagram schematically showing a coolant channel in a cooling system of a vehicle fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention;
4 illustrates a coolant inflow line and a coolant discharge line connected to a fuel cell stack in a cooling system of a vehicle fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention,
5a and 5b respectively show two coolant channels formed in different directions in an embodiment according to the invention.

본 발명은 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템의 원활한 냉각 기능을 수행하는 냉각 시스템에 관한 것으로, 이러한 냉각 시스템에서 순환하는 냉각수가 스택 내에서 열교환을 수행함에 따라 발생하는 온도 편차를 저감시킬 수 있는 냉각 유로의 구체적인 구조를 제공한다.The present invention relates to a cooling system that performs a smooth cooling function of a fuel cell system applied to a fuel cell vehicle, and can reduce a temperature deviation generated as the coolant circulating in the cooling system performs heat exchange in a stack. It provides a specific structure of the cooling passage.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. A singular expression includes a plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms “comprises” or “having” are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or a combination thereof.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 차량용 연료전지의 냉각 시스템을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a cooling system for a vehicle fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 차량용 연료전지의 냉각 시스템에서 냉각수 채널을 개략적으로 도시한 개념도이다.3 is a conceptual diagram schematically illustrating a coolant channel in a cooling system of a vehicle fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 연료전지의 냉각 시스템에서는 각각의 연료전지 셀 또는 다수의 연료전지 셀 묶음에 해당하는 연료전지 셀 조합체에 대한 냉각을 수행할 수 있도록 상기 연료전지 셀 또는 연료전지 셀 조합체에 형성된 냉각수 채널을 통하여 냉각수의 순환 유동이 이루어지도록 구성된다.As shown in FIG. 3, in the vehicle fuel cell cooling system according to the present invention, the fuel cell cells can be cooled to each fuel cell cell or a fuel cell cell combination corresponding to a plurality of fuel cell cell bundles. Or a circulating flow of the coolant through the coolant channel formed in the fuel cell cell assembly.

특히, 도 3에 도시된 본 발명의 구현예에서는 애노드 측 분리판(110), 막전극 접합체(120), 캐소드 측 분리판(130)의 적층 구조를 포함하는 연료전지 셀 각각에서 이러한 냉각수의 순환 유동이 개별적으로 이루어지고 있는 차량용 연료전지의 냉각 시스템에 관하여 구체적으로 설명하고 있다.In particular, in the embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3, the circulation of such cooling water in each of the fuel cell cells including the stacked structure of the anode side separator 110, the membrane electrode assembly 120, and the cathode side separator 130 is described. The cooling system of a vehicle fuel cell in which flows are performed separately is described in detail.

도 3을 참고하면, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 냉각 시스템의 냉각 순환 루프에는 다수의 냉각수 유입 포트 및 다수의 냉각수 토출 포트 및 이들을 연결하는 냉각수 채널(150, 160)이 포함되도록 구성된다.Referring to FIG. 3, a cooling circulation loop of a cooling system according to a preferred embodiment of the present invention is configured to include a plurality of coolant inlet ports and a plurality of coolant discharge ports and coolant channels 150 and 160 connecting them.

상기 다수의 냉각수 유입 포트 및 다수의 냉각수 토출 포트는 연결되는 냉각수 채널(150, 160)에 대한 냉각수의 유입구 및 배출구로 기능하며, 상기 냉각수 채널에 대응되는 한 쌍의 유입구 및 배출구로 구성된다.The plurality of coolant inlet ports and the plurality of coolant discharge ports function as inlets and outlets of the coolant for the connected coolant channels 150 and 160, and include a pair of inlets and outlets corresponding to the coolant channels.

즉, 상기 다수의 냉각수 유입 포트들은 모두 냉각수 채널(150, 160)로 냉각수를 유입하고, 상기 다수의 냉각수 토출 포트들은 유입된 냉각수가 냉각수 채널을 통과하여 상기 냉각수 채널 밖으로 배출되는 구성으로, 하나의 냉각수 순환 루프 내에서 일정한 냉각수 흐름을 갖는 하나의 냉각수 채널에 대응되는 한 쌍의 냉각수 유입 포트 및 냉각수 토출 포트가 포함된다.That is, the plurality of coolant inlet ports all introduce coolant into the coolant channels 150 and 160, and the plurality of coolant discharge ports are configured to discharge the coolant introduced through the coolant channel and out of the coolant channel. A pair of coolant inlet ports and coolant discharge ports corresponding to one coolant channel having a constant coolant flow in the coolant circulation loop are included.

이러한 냉각수 유입 포트 및 냉각수 토출 포트는 냉각수 매니폴드를 따라 각각의 냉각수 채널(150, 160)과 연결됨으로써 형성되고, 다수의 냉각수 매니폴드에 대응한 다수의 냉각수 유입 포트 및 냉각수 토출 포트를 포함하도록 구성할 수 있다.The coolant inlet port and the coolant discharge port are formed by being connected to the respective coolant channels 150 and 160 along the coolant manifold, and configured to include a plurality of coolant inlet ports and coolant discharge ports corresponding to the plurality of coolant manifolds. can do.

도 3의 구현예에서와 같이, 냉각수 매니폴드가 연료전지 셀의 좌우측에 배치되고 상기 냉각수 매니폴드 간에 연료전지 스택을 냉각할 수 있도록 냉각수가 유동하는 냉각수 채널이 형성된 경우라면, 상기 냉각수 매니폴드로부터 각각의 냉각수 채널이 연결됨에 따라 냉각수 유입 포트 또는 냉각수 토출 포트를 형성하게 된다.As in the embodiment of FIG. 3, if a coolant manifold is disposed on the left and right sides of the fuel cell and a coolant channel through which coolant flows is formed between the coolant manifolds to cool the fuel cell stack, from the coolant manifold Each coolant channel is connected to form a coolant inlet port or a coolant discharge port.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각수의 유출입 라인을 따라 냉각수 유입 포트 및 냉각수 토출 포트의 위치가 결정됨으로써 각 냉각수 채널에서 냉각수의 전반적인 유동 방향을 설정할 수 있다.On the other hand, as shown in Figure 3, by determining the location of the coolant inlet port and the coolant discharge port along the inlet and outlet lines of the coolant can set the overall flow direction of the coolant in each coolant channel.

이러한 냉각수의 유동 방향과 관련하여, 본 발명에 따른 차량용 연료전지의 냉각 시스템에서는 서로 다른 냉각수 채널(150, 160)을 통과하는 냉각수 유동이 연료전지 셀을 기준으로 서로 다른 방향으로 설정되도록 냉각수 유입 포트 및 냉각수 토출 포트가 형성된다.In relation to the flow direction of the coolant, in the cooling system of the vehicle fuel cell according to the present invention, the coolant inflow port so that the coolant flow passing through different coolant channels 150 and 160 is set in different directions with respect to the fuel cell. And a cooling water discharge port.

이와 같이 서로 다른 방향으로 유동하는 냉각수의 흐름은 연료전지 스택 내에서 열교환에 따라 냉각수온이 상승하는 냉각 수온의 구배가 일어나는 방향을 다변화시킴으로써 연료전지 스택 내부의 온도 편차를 저감시키도록 기능한다.As such, the flow of the cooling water flowing in different directions serves to reduce the temperature variation in the fuel cell stack by varying the direction in which the gradient of the cooling water temperature rises as the cooling water temperature rises as the heat exchange occurs in the fuel cell stack.

이러한 냉각수 유동 방향의 바람직한 예로서, 본 발명에서는 각각의 냉각수 채널에서의 냉각수 유동이 상기 연료전지 셀을 기준으로 서로 반대 방향의 흐름을 갖도록 구성되는 서로 다른 두 개의 냉각수 채널(150, 160)을 포함하도록 냉각 시스템의 냉각 순환 루프가 형성되는 것을 고려할 수 있다.As a preferred example of such a coolant flow direction, the present invention includes two different coolant channels 150 and 160 configured such that the coolant flow in each coolant channel has flows in opposite directions relative to the fuel cell. It is contemplated that a cooling circulation loop of the cooling system is formed.

이러한 구현예에 관하여는 첨부된 도 3에서 상세하게 도시되어 있다.This embodiment is illustrated in detail in the accompanying FIG. 3.

도 3을 참조하면, 도 3에서는 상술한 바와 같이 연료전지 셀을 기준으로 서로 반대 방향의 흐름을 갖는 두 개의 냉각수 채널(150, 160)로 이루어지는 냉각 순환 루프의 예가 도시되어 있으며, 상기 냉각 순환 루프는 n번째 셀에 형성된 제1냉각수 채널(150)을 포함하는 제1냉각 유로와, 상기 제1냉각 유로와 반대 방향으로 냉각수가 유동하도록 설정된 n+1번째 셀에 형성된 제2냉각수 채널(160)을 포함하는 제2냉각 유로로 구분 설정된다.Referring to FIG. 3, FIG. 3 illustrates an example of a cooling circulation loop including two cooling water channels 150 and 160 having flows in opposite directions with respect to a fuel cell as described above. Is a first cooling channel including a first coolant channel 150 formed in an n-th cell, and a second coolant channel 160 formed in an n + 1th cell configured to flow coolant in a direction opposite to the first cooling channel. It is divided into a second cooling passage including a.

이 때, 상기 제1냉각 유로는 제1냉각수 유입 포트(140a) 및 제1냉각수 토출 포트(140c)를 통해 냉각수 채널과 냉각수 매니폴드가 연결되고, 상기 제2냉각 유로는 제2냉각수 유입 포트(140b) 및 제2냉각수 토출 포트(140d)를 통해 냉각수 채널과 냉각수 매니폴드가 연결된다.At this time, the first cooling channel is connected to the cooling water channel and the cooling water manifold through the first cooling water inflow port 140a and the first cooling water discharge port 140c, and the second cooling channel is the second cooling water inflow port ( 140b) and the second coolant discharge port 140d are connected to the coolant channel and the coolant manifold.

상기 냉각수 매니폴드들은 일정한 방향으로 냉각수를 연료전지 스택 내로 유입하거나 연료전지 스택 내로부터 냉각수를 배출할 수 있도록 냉각수 채널과 연결되며, 일반적으로 연료전지 스택의 적층 방향을 따라 형성된 직육면체 형태의 매니폴드로 구성된다.The coolant manifolds are connected to a coolant channel to allow the coolant to enter the fuel cell stack or to discharge the coolant from the fuel cell stack in a predetermined direction, and are generally rectangular parallelepiped manifolds formed along the stacking direction of the fuel cell stack. It is composed.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 매니폴드는 냉각수의 공급 라인 또는 냉각수의 토출라인을 따라 연장되고, 서로 다른 방향에 대한 제1냉각수 유입 포트(140a) 및 제2냉각수 유입 포트(140b)가 냉각수 공급 라인으로 공통되게 연결되고, 제1냉각수 토출 포트(140c) 및 제2냉각수 토출 포트(140d)는 냉각수 토출 라인으로 공통되게 연결된다.As shown in FIG. 4, the coolant manifold extends along the supply line of the coolant or the discharge line of the coolant, and the first coolant inlet port 140a and the second coolant inlet port 140b in different directions are provided. Commonly connected to the coolant supply line, the first coolant discharge port 140c and the second coolant discharge port 140d are commonly connected to the coolant discharge line.

그러므로, 상기 제1냉각 유로 및 상기 제2냉각 유로는 하나의 공급라인 및 하나의 토출라인에 의하여 구현되는 단일한 냉각 순환 루프를 형성한다.Therefore, the first cooling passage and the second cooling passage form a single cooling circulation loop implemented by one supply line and one discharge line.

한편, 구체적으로 도시되지는 않았지만, 본 발명에 따른 구현예에서는 하나의 냉각수 매니폴드에 대하여, 동일한 방향의 유동 흐름을 갖는 다수의 냉각수 유입 포트 또는 냉각수 토출 포트가 연료전지 셀의 적층 방향을 따라 각각의 셀에 대하여 형성될 수 있다.On the other hand, although not specifically shown, in the embodiment according to the present invention, for one coolant manifold, a plurality of coolant inlet ports or coolant discharge ports having flow flows in the same direction are respectively along the stacking direction of the fuel cell. It can be formed for the cell of.

즉, 도 3과 같은 구현예에서, n, n+1번째 셀 전후로 다수의 연료전지 셀이 적층됨에 있어서, 각각의 셀에 대한 냉각수의 유동은 제1냉각 유로 또는 제2냉각 유로 중 하나의 방향을 따르게 되므로, 연료전지 셀 다수가 적층된 연료전지 스택에서는 하나의 냉각수 매니폴드와 연결된 각각의 냉각수 채널에 대하여 복수 개의 냉각수 유입 포트 및 냉각수 토출 포트가 형성될 수 있다.That is, in the embodiment as shown in FIG. 3, when a plurality of fuel cell cells are stacked before and after the n and n + 1th cells, the flow of the cooling water for each cell is in the direction of either the first cooling passage or the second cooling passage. Therefore, in the fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells are stacked, a plurality of coolant inlet ports and coolant discharge ports may be formed for each coolant channel connected to one coolant manifold.

다만, 본 발명에서는 편의 상 이러한 냉각수 유입 포트 및 냉각수 토출 포트 다수를 냉각수 유동 방향에 대해서만 구분하고, 적층된 방향으로는 구분하지 않고, 제1냉각수 유입/토출 포트 또는 제2냉각수 유입/토출 포트라고 통칭한다.However, in the present invention, a plurality of such coolant inflow ports and a plurality of coolant discharge ports are distinguished only with respect to the coolant flow direction and are not distinguished in the stacked direction, and are referred to as a first coolant inflow / outflow port or a second coolant inflow / outflow port. Collectively.

이러한 냉각수 유동의 방향은 적층방향으로 확장되는 냉각수 매니폴드에서 원하는 유동 방향에 대한 냉각수 유입 포트 및 냉각수 토출 포트를 형성함으로써, 상기 냉각수 매니폴드를 냉각수 채널에 연결함에 따라 설정될 수 있다.The direction of the coolant flow can be set by connecting the coolant manifold to the coolant channel by forming a coolant inlet port and a coolant discharge port for the desired flow direction in the coolant manifold extending in the stacking direction.

이와 관련하여, 도 5a 및 도 5b에서는 n번째 및 n+1번째 셀에서의 냉각수 유입/토출 포트 및 냉각수 흐름의 구체적인 방향을 각각 도시하고 있다.In this regard, FIGS. 5A and 5B show the specific directions of the coolant inlet / outlet port and the coolant flow in the nth and n + 1th cells, respectively.

즉, 상술한 바와 같이 두 개의 냉각 유로(제1냉각 유로 및 제2냉각 유로)가 선택적으로 배치되도록 2 쌍의 냉각수 유입/토출 포트 및 냉각수 채널(150, 160)을 구비한 예를 고려할 때, 제1냉각 유로 또는 제2냉각 유로가 선택적으로 형성된 연료전지 셀 다수가 순차적으로 적층됨에 따라 서로 다른 방향의 유동을 갖는 2 개의 냉각 유로를 포함하는 냉각 순환 루프가 형성된 연료전지 스택이 구현될 수 있다.That is, considering the example provided with two pairs of coolant inlet / outlet ports and coolant channels 150 and 160 such that two cooling channels (the first cooling channel and the second cooling channel) are selectively arranged as described above, As a plurality of fuel cell cells selectively formed with the first cooling passage or the second cooling passage are sequentially stacked, a fuel cell stack having a cooling circulation loop including two cooling passages having flows in different directions may be implemented. .

이와 같이 적층된 연료전지 스택에서 온도 편차를 줄이기 위해서는, 스택 내에서 상기 제1냉각 유로와 상기 제2냉각 유로를 포함하는 연료전지 셀이 교대로 적층됨이 바람직하다.In order to reduce the temperature variation in the stacked fuel cell stacks, it is preferable that fuel cell cells including the first cooling channel and the second cooling channel are alternately stacked in the stack.

또한, 위의 예와는 달리, 연료전지 셀 다수가 묶여져 하나의 연료전지 셀 조합체를 구성하는 한편, 상기 연료전지 셀 조합체 간에 교대로 상기 제1냉각 유로와 상기 제2냉각 유로가 형성될 수 있도록 연료전지 스택을 구성할 수 있다.In addition, unlike the above example, a plurality of fuel cell cells are bundled to form one fuel cell cell assembly, and the first cooling channel and the second cooling channel may be alternately formed between the fuel cell cell assemblies. The fuel cell stack can be configured.

이 경우, 적층 순서에 따라 홀(짝)수번째 연료전지 셀 조합체에서는 제1냉각 유로가 짝(홀)수번째 연료전지 셀 조합체에서는 제2냉각 유로가 각각 형성되게 된다.In this case, according to the stacking order, the first cooling passage is formed in the even-numbered fuel cell assembly, and the second cooling passage is formed in the even-numbered fuel cell assembly.

나아가, 도 3 내지 도 5의 구현예에서는 2 쌍의 냉각수 매니폴드로부터 형성되는 2 쌍의 냉각수 유입 포트 및 냉각수 토출 포트에 의하여 구현되는 2 방향의 냉각수 채널에서의 유동을 개시하고 있으나, 이와는 달리, 서로 다른 방향, 예를 들어, 사각형의 스택 단면을 갖는 연료전지 스택의 경우, 사각형의 각면에 대한 4가지 유동 방향을 설정하도록 4 쌍의 냉각수 유입/토출 포트 및 냉각수 채널이 형성되면서 연료전지 스택이 적층되도록 구성할 수 있다.Furthermore, the embodiment of FIGS. 3 to 5 discloses flow in two directions of coolant channels implemented by two pairs of coolant inlet ports and coolant outlet ports formed from two pairs of coolant manifolds. In the case of fuel cell stacks having different directions, for example, a rectangular stack cross section, four pairs of coolant inlet / outlet ports and coolant channels are formed to set four flow directions for each side of the rectangle, thereby creating a fuel cell stack. It can be configured to be stacked.

따라서, 본 발명에 따른 차량용 연료전지의 냉각 시스템에서는 냉각수의 유동에 따라 발생되는 온도 구배를 상쇄시킬 수 있는 방향으로 다수의 냉각수 유로의 흐름 방향을 설정함으로써 온도 편차를 제거하려는 목적을 달성할 수 있으며, 당업자라면 이러한 냉각수 유로의 흐름 방향을 적절하게 조합함으로써 변경된 형태의 차량용 연료전지의 냉각 시스템을 구현할 수 있을 것이다.Therefore, the cooling system for a vehicle fuel cell according to the present invention can achieve the object of eliminating the temperature deviation by setting the flow direction of the plurality of cooling water flow path in a direction that can cancel the temperature gradient generated by the flow of the cooling water. Those skilled in the art will be able to implement a modified type of vehicle fuel cell cooling system by appropriately combining the flow directions of the cooling water flow paths.

본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
While the invention has been described with reference to the preferred embodiments, those skilled in the art will appreciate that modifications and variations of the elements of the invention may be made without departing from the scope of the invention. In addition, many modifications may be made to particular circumstances or materials without departing from the essential scope of the invention. Therefore, the invention is not limited to the details of the preferred embodiments of the invention, but will include all embodiments within the scope of the appended claims.

110: 애노드 측 분리판 120: 막전극 접합체
130: 캐소드 측 분리판 140a, b: 냉각수 유입 포트
140c, d: 냉각수 토출 포트 150, 160: 냉각수 채널110: anode side separator 120: membrane electrode assembly
130: cathode side separator 140a, b: coolant inlet port
140c, d: cooling water discharge port 150, 160: cooling water channel

Claims (5)

차량용 연료전지의 냉각 시스템에 있어서,
다수의 연료전지 셀이 적층된 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수의 순환 루프를 형성하되, 상기 순환 루프는
스택을 통과하는 냉각수가 유입되는 다수의 냉각수 유입 포트와;
상기 냉각수 유입 포트에 대응하여 스택을 통과한 냉각수를 배출하도록 형성된 다수의 냉각수 토출 포트와;
상기 다수의 냉각수 유입 포트와 대응되는 상기 다수의 냉각수 토출 포트 간을 연결하는 다수의 냉각수 채널;을 포함하여 이루어지고,
상기 다수의 냉각수 채널은 서로 다른 방향으로 냉각수의 유동이 이루어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 냉각 시스템.
In the cooling system of a vehicle fuel cell,
A circulation loop of cooling water for cooling the fuel cell stack in which the plurality of fuel cell cells are stacked is formed, and the circulation loop is
A plurality of coolant inlet ports through which coolant flows through the stack;
A plurality of coolant discharge ports configured to discharge coolant that has passed through the stack corresponding to the coolant inlet ports;
And a plurality of coolant channels connecting between the plurality of coolant inlet ports and the plurality of coolant discharge ports.
The plurality of coolant channels are formed so that the coolant flows in different directions.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각수 채널은 서로 반대 방향으로 냉각수가 유동하도록 형성된 제1냉각수 채널 및 제2냉각수 채널로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 냉각 시스템.
The method according to claim 1,
The coolant channel is a cooling system of a vehicle fuel cell, characterized in that the first coolant channel and the second coolant channel formed to flow the coolant in the opposite direction to each other.
청구항 2에 있어서,
상기 다수의 냉각수 유입 포트는 상기 제1냉각수 채널에 연결되는 제1냉각수 유입 포트와 상기 제2냉각수 채널에 연결되는 제2냉각수 유입 포트로 이루어지고, 상기 다수의 냉각수 토출 포트는 상기 제1냉각수 채널에 연결되는 제1냉각수 토출 포트와 상기 제2냉각수 채널에 연결되는 제2냉각수 토출 포트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 냉각 시스템.
The method according to claim 2,
The plurality of coolant inlet ports may include a first coolant inlet port connected to the first coolant channel and a second coolant inlet port connected to the second coolant channel, and the plurality of coolant discharge ports may include the first coolant channel. And a first coolant discharge port connected to the second coolant discharge port and a second coolant discharge port connected to the second coolant channel.
청구항 2 또는 3에 있어서,
상기 제1냉각수 채널 및 상기 제2냉각수 채널은 인접한 연료전지 셀 간에 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 냉각 시스템.
The method according to claim 2 or 3,
And the first coolant channel and the second coolant channel are alternately disposed between adjacent fuel cell cells.
청구항 2 또는 3에 있어서,
상기 제1냉각수 채널 및 상기 제2냉각수 채널은 상기 연료전지 셀 다수로 이루어지는 다수의 연료전지 셀 조합체 간에 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 냉각 시스템.

The method according to claim 2 or 3,
And the first coolant channel and the second coolant channel are alternately arranged between a plurality of fuel cell combinations each including a plurality of the fuel cell.

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